Распределенные системы управления

Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассивных периферийных устройств, к распределенным - когда каждый элемент системы является активным устройством.

В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информации осуществляется по параллельной шине(например VME, PCI, ISA, PC/104 и т.д.).

Такая организация системы имеет следующие недостатки:

• Hеобходимость применения мощных процессоров. Поскольку все задачи решаются одним процессором при большом количестве периферийных устройств и плат ввода-вывода, то он должен иметь большую производительность. Применение нескольких процессоров, работающих на одной шине без использования стандартных протоколов, усложняет разработку программ.
• Большие трудности, связанные с расширением системы. При расширении или модернизации требуется замена конструктива и модификация или полная замена программного обеспечения.
• Hизкая надежность. Количество соединений на современной производительной шине достигает 100 и более. Замыкание или обрыв одной из них приводит к отказу всей системы. Ситуация дополнительно осложняется применением разъемов с большим количеством контактов. При дублировании в этом случае требуется применение такой же дополнительной шины, что резко увеличивает габариты, вес и стоимость всей системы, но не решает проблему. Поскольку электронные блоки системы при таком подходе сосредоточены в одном месте, то к ним приходится прокладывать большое количество силовых и сигнальных цепей (от датчиков и исполнительных устройств), что при больших габаритах системы также снижает надежность и увеличивает стоимость (большой расход кабеля).
• Большие сроки разработки. При разработке системы заново создаются аппаратная и программная части. Применение стандартных конструктивов, плат и блоков облегчает, но не решает проблему.

Стыковка элементов распределенной системы управления осуществляется с помощью cтандартных сетевых интерфейсов на аппаратном уровне и с помощью стандартных протоколов - на программном. Данный подход стал активно применяться в промышленности с середины 80-х годов с появлением малогабаритных компьютеров и контроллеров, обладающих невысокой стоимостью. В настоящее время даже активные датчики и исполнительные устройства стали снабжаться сетевыми интерфейсами.

Элементом системы может быть плата универсального контроллера, содержащая стандартный сетевой интерфейс или промышленный контроллер с набором модулей или плат (не более 5-ти), стыкующихся через локальную шину (VME, PC/104 и т.д.). Элементы системы, соединенные стандартными сетевыми интерфейсами, могут находиться в одном конструктиве или могут быть распределены по объекту.

Распределенные системы обладают следующими преимуществами:

• Легкая расширяемость. Cтандартные протоколы верхнего и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производимым другими фирмами. Например для CAN-интерфейса можно использовать спецификацию CiA/DS 201-207, CAN Physical Layer for Industrial Applications и т.д.
• Высокая надежность. Для подключения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъемы с небольшим количеством контактов. Например для подключения к CAN или Profibus необходимо 3 провода - два сигнальных и один общий, если использовать дополнительный канал для резервирования, то требуется 6 проводов и соответствующее количество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема используются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспечивается дублирование функций другими элементами системы.
• Малые сроки разработки. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.
• Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.
• Возможность распределения системы по объекту. Система может находиться в одном конструктиве, а также может быть распределена по объекту, что позволяет уменьшить затраты на монтаж и на использование медного провода.
• Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности. Задача распределяется по активным элементам системы - метод декомпозиции, активно используется программистами для разработки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.

Стационарные системы

В стационарных системах чаще всего используются компьютеры в стандарте IEEE-996 (офисный и промышленные варианты), компьютеры и контроллеры в Евростандарте. В распределённой системе управления с использованием, например, Ethernet- и CAN-интерфейса, узлы и электронные блоки могут быть скомпонованы в одном или нескольких конструктивах разного формата, что обеспечивает гибкую архитектуру системы. Например, в системе с большим количеством датчиков и исполнительных устройств распределение системы по объекту позволяет существенно уменьшить количество кабелей, повышая её надёжность и простоту эксплуатации.

Рис. 1. Схема подключения устройств с CAN-интерфейсом.

На рисунке ниже приведена структурная схема одноуровневой системы управления c использованием платы CANPC527D (ISA шина, 2 оптоизолированных CAN-канала) и серии микропроцессорных контроллеров 167-3U (Евростандарт, формат 3U). В случае использования микропроцессорных контроллеров без дополнительных модулей ввода-вывода, задняя объединительная панель евроконструктива используется только для подключения напряжения питания контроллеров.

Рис. 2. Структурная схема одноуровневой системы управления.

Каждый из контроллеров может иметь дополнительные пассивные модули ввода-вывода, которые подключаются через системную шину контроллеров (в данном случае, шину AT96). Системный блок в этом случае может содержать несколько объединительных панелей, каждая из которых соединяет через шину группу модулей и контроллер.

В случае использования разных типов контроллеров в одном конструктиве могут применяться короткие объединительные панели с разными шинами (например VME и AT96, PCI и т.д.).

Изделия в формате PC/104 в промышленных системах могут использоваться для обслуживания удалённых датчиков и исполнительных устройств, а также в малогабаритных встраиваемых электронных блоках станков или другого промышленного оборудования.

Бортовые системы

Основными отличиями бортовых систем от промышленных являются повышенные требования к механическим воздействиям и температуре эксплуатации.

Рис. 3. Вариант распределенной бортовой системы.

В современных бортовых системах чаще всего используются компьютеры и контроллеры в Евростандарте и в стандарте PC/104(IEEE-P996.1).

Конструкция в Евростандарте чаще всего используется при построении крупных бортовых систем. Наиболее популярным конструктивом в Евростандарте в настоящее время является формат 3U(размер платы 100х160 мм).

Достоинством конструкции в Евростандарте является наличие большого количества готовых стандартных корпусов, возможность использования разного типа шинных интерфейсов VME, PCI, AT96, MULTIBUS и т.д., конструкция обеспечивает возможность быстрой замены модулей и плат. Недостатком - низкая плотность упаковки электроники. Современные электронные компоненты позволяют разместить на плате 100х160 мм целые системы, при этом для установки выходных разъёмов в Евростандарте используется только одна сторона платы(в формате 3U - 100мм). Использование внутренних разъёмов и переходных кабелей позволяет располагать выходные разъёмы на лицевой панели конструктива, но при этом неэффективно используется внутренний объём, а также возникают трудности с обеспечением жёстких требований к механическим воздействиям.

Стандарт PC/104 позволяет получить высокую плотность упаковки электронных модулей и, следовательно, получить малые габариты готовых блоков, обеспечивает различные варианты компоновки электронных модулей. К недостаткам относятся более сложная замена модулей(что не очень важно для встраиваемых систем), наличие всего 2-х шинных интерфейсов - PC/104 и PC/104+(ISA и PCI).

зрелые индивидуалки спб Проститутки Тюмени вип

Комбинированное использование различных сетевых интерфейсов (например Ethernet - на верхнем уровне, а CAN - на нижнем) позволяет строить сложные многоуровневые распределённые системы управления. Структура такой системы может задаваться, исходя из требований максимальной надежности, минимальной стоимости или максимального быстродействия.

Рис. 4. Вариант компоновки с использованием базовой платы.